劉 翔，周 楨

（1.武漢科技大學 工程訓練中心，湖北 武漢430065；2.武漢廣播影視局 湖北 武漢430015）

基于nRF24L01芯片的圖像無線傳輸系統(tǒng)設計

劉 翔1，周 楨2

（1.武漢科技大學 工程訓練中心，湖北 武漢430065；2.武漢廣播影視局 湖北 武漢430015）

鑒于無線數(shù)據(jù)傳輸方式的一些優(yōu)點，設計了一套用于短距離的無線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用MT9M001圖像傳感器作為發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集單元，以DSP作為收、發(fā)兩端的控制單元，利用nRF24L01射頻芯片完成圖像數(shù)據(jù)在收發(fā)端的傳輸。在室外20 m有遮擋環(huán)境下的測試表明：該系統(tǒng)發(fā)送并接收分辨率為640×512的灰度圖像時具有很高的可靠性。

無線通信；圖像傳輸；數(shù)字信號處理器；nRF24L01

無線通信傳輸技術(shù)不受傳輸線纜地理分布的限制，無需設計通信系統(tǒng)的布線方案，具有組態(tài)靈活、開發(fā)成本低，周期短及重構(gòu)性強等優(yōu)點[1]，在多點通信[2]、信號采集[3]、環(huán)境監(jiān)測[4-5]和遠程控制[6]等領(lǐng)域得到廣泛應用。目前，無線通信技術(shù)正朝著集成化、低功耗、易操作的方向發(fā)展[7]。在此背景下，以射頻芯片為核心的無線通信解決方案具有成本低、性能強、接口電路簡單、無需復雜的通信協(xié)議和軟件堆棧、可擴展性好等特點，擁有廣闊的市場應用前景。

文中設計了一種用于圖像數(shù)據(jù)無線射頻傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)選用MT9M001圖像傳感器作為發(fā)送端的數(shù)據(jù)采集單元，以DSP作為收、發(fā)兩端的控制單元，利用nRF24L01射頻芯片完成圖像數(shù)據(jù)在收發(fā)端的傳輸。測試實驗的結(jié)果表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單且成本較低，在有障礙遮擋環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸性能可靠。

1 系統(tǒng)整體設計

無線圖像傳輸系統(tǒng)分為發(fā)送端與接收端兩大部分。其中，發(fā)送端主要由圖像數(shù)據(jù)采集、發(fā)送控制與無線發(fā)送3個模塊組成；接收端主要由無線接收、接收控制與圖像顯示3個模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計框圖

其中，圖像采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集并存儲在寄存器中，發(fā)射端控制系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)讀取并發(fā)送到發(fā)射模塊，發(fā)射模塊在控制系統(tǒng)的控制下將數(shù)據(jù)發(fā)射給接收端。接收端在接收控制系統(tǒng)的控制下接收數(shù)據(jù)并最終將其顯示在終端之上，完成圖像數(shù)據(jù)的無線通信傳輸。

2 電路詳細設計

2.1 發(fā)射端設計

1）圖像采集模塊

考慮到CMOS傳感器可直接輸出數(shù)字信號，并且隨著工藝的不斷進步，CMOS傳感器的光照靈敏度、動態(tài)范圍、功耗等性能均大幅提升。為了方便后期對采集圖像數(shù)據(jù)的處理，本系統(tǒng)采用Micron公司生產(chǎn)的130萬像素CMOS圖像傳感器MT9M001作為數(shù)據(jù)采集的核心器件。在默認情況下，MT9M001的分辨率為1 280×1 024，速率可達25幀/秒[8]。圖2是MT9M001圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖2 MT9M001內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

控制部分通過I2C接口對CMOS圖像傳感器內(nèi)部的控制寄存器進行初始化，當傳感器陣列接收到光照后便將光信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生10位數(shù)字信號。由于圖像傳感器的輸出數(shù)據(jù)由PIXCLK、LINE_VALID和FRAME_VALID 3個引腳控制，可將此三引腳與控制模塊指定的I/O口連接在一起。另外，本設計中采用的傳輸圖像是深度為8的灰度圖像，因此控制模塊只需連接DOUT的高8位數(shù)據(jù)。圖3是本模塊與控制模塊的連接方式圖，其中控制部分采用了 XILINX公司的 CPLD芯片XC95288XL7TQ 與 TI公 司 的 DSP 芯 片TMS320C5402。

圖3 圖像采集模塊與控制模塊的連接圖

2）發(fā)送端控制模塊

發(fā)送端控制部分需要將采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中供發(fā)送時使用。同時，它還要對發(fā)送模塊進行初始化與參數(shù)設置以保證數(shù)據(jù)正常發(fā)送。發(fā)送端控制模塊采用DSP與CPLD共同控制的方式，DSP利用 DS、IS、MSTRB、IOSTRB、R/W等引腳選擇控制CPLD芯片，可使其通過CPLD間接查詢MT9M001的PIXCLK、LINE_VALID和FRAME_VALID引腳狀態(tài)完成圖像數(shù)據(jù)的采集，如圖3所示。由于本設計中選用了TI公司的TMS320C54系列DSP作為控制器[9-10]，因此從圖像采集模塊中的傳來的數(shù)據(jù)要先由CPLD組成16bit數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過2個PIXCLK周期后再送得到數(shù)據(jù)總線上傳給DSP。考慮到一幀圖像的數(shù)據(jù)不能一次性全部采集完畢，所以DSP要先將來自數(shù)據(jù)總線的部分圖像數(shù)據(jù)傳送到外部存儲器中，當一幀圖像全部采集完畢后，DSP再將存儲在外部存儲器中的數(shù)據(jù)送入發(fā)送模塊。設計中的外部存儲器選擇 CYPRESS公司 CY7C1041CV33型SRAM芯片[11]，該芯片容量可達512KB能夠滿足分辨率為640×512灰度圖像的存儲需求。SRAM的使能端與讀寫控制端、、與CPLD指定的I/O口連接，DSP則是通過選通CPLD芯片達到間接控制外部存儲器讀寫的目的。這部分的連接方式如圖4所示。

圖4 發(fā)送端控制電路連接圖

3）射頻發(fā)射模塊

選用挪威Nordic公司的nRF24L01型射頻芯片作為發(fā)射模塊的核心器件。該型號芯片能耗低，工作頻率為2.4～2.5 GHz ISM頻段，采用鍵控方式進行調(diào)制解調(diào)并且內(nèi)置有頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和SPI模塊[12-14]。nRF24L01有4種工作模式，可以通過CE、PRIM_RX和PWR_UP 3個引腳對其工作模式進行配置，如表1所示。

nRF24L01有Shock Burst TM和Enhanced Shock BurstTM兩種數(shù)據(jù)處理方式，本設計中將其配置成Enhanced ShockBurstTM方式。nRF24L01提供了SPI接口與外界進行通信，通常在配置模式下，控制模塊通過nRF24L01的SPI接口對其工作參數(shù)進行設置；在收發(fā)模式下，控制模塊利用SPI接口向其發(fā)收數(shù)據(jù)。但是設計中選用的DSP芯片并沒有SPI接口，這里本文采用的方法是：將DSP的MCBSP串口配置成普通I/O口，再借助一定數(shù)量的I/O口來模擬SPI。這樣做的好處是能夠有效地避免直接采用MCBSP與SPI通信時接口程序復雜的問題。本部分的連接方式如圖5所示。

表1 nRF24L01的工作模式

圖5 射頻發(fā)射模塊與控制模塊連接圖

2.2 接收端設計

圖像數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)慕邮詹糠质荄SP通過SPI接口控制nRF24L01射頻芯片接收發(fā)送端的數(shù)據(jù)，并儲存到片外存儲器。當采集完一幀圖像數(shù)據(jù)后再發(fā)送給顯示模塊。接收端射頻模塊與控制模塊連接方式與發(fā)送端基本相同，這里不再贅述。下面主要介紹接收端控制模塊與片外存儲器的接口電路。

接收端控制模塊選擇了TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509A高性能DSP芯片作為控制模塊的核心器件[15]，TMS320VC5509A內(nèi)部集成了USB串口模塊，使得顯示模塊與其通信可以比較方便的實現(xiàn)。片 外 存 儲 器 選 擇 的 是 Hynix 生 產(chǎn) 的HY57V641620HG型 SDRAM，HY57V641620HG是一種同步 （電平觸發(fā)）靜態(tài)隨機存儲器，其容量有4M×16bit，即 64Mbits，足以存放一幀分辨率為640×512，灰度值為8的位圖圖像數(shù)據(jù)。圖6是DSP的EMIF接口與外部存儲器的連接方式圖。

文中采用了USB接口作為系統(tǒng)與顯示終端進行通信的數(shù)據(jù)接口，標準的USB接口有四根線：VBUS、D+、D-、GND。VBUS線是用來給USB接口供電，D+、D-用來以差分形式傳輸數(shù)據(jù)，GND接地。TMS320VC5509A的USB接口單元提供了DN、DP和PU 3個引腳資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，該部分的接口電路設計如圖7所示。

圖6 DSP與外部存儲器的連接圖

圖7 USB接口電路

3 實驗測試

為了對上述設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性進行測試，選擇了在相距約20 m左右中間存在遮擋物的兩幢樓房的房間中傳輸一幅分辨率為640×512深度為8的灰度圖像進行測試。測試圖像與硬件系統(tǒng)實物如圖8所示。

圖8 測試圖像及系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)發(fā)送端將這幅位圖圖像數(shù)據(jù)的每32個點作為一個數(shù)據(jù)包，由于圖像中的每個點都是用8bit二進制數(shù)據(jù)表示的，那么，這幅圖像一共可以分割成640×512/32=10 240個數(shù)據(jù)包。即發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)為10 240個。將接收端接收的圖像數(shù)據(jù)利用CCS集成開發(fā)軟件自帶的Graphical Display顯示出來，如圖9所示。從圖中下方的信息提示窗口中可以看到接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)為10 240個，這說明本無線射頻傳輸系統(tǒng)在20 m內(nèi)有遮擋物的環(huán)境下仍然有很高的可靠性。

圖9 接收端軟件系統(tǒng)顯示圖像

4 結(jié) 論

針對圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸需求，通過總體設計、功能模塊設計及軟硬件調(diào)試，開發(fā)了一種基于nRF24L01射頻芯片的無線射頻圖像傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、成本低廉并且實現(xiàn)簡單，通過在相距20 m左右存在障礙環(huán)境下的測試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院芨?，可將其應用在短距離的圖像數(shù)據(jù)無線傳輸場合。

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A design of image data wireless transmission based on nRF24L01 chip

LIU Xiang1，ZHOU Zhen2
（1.Engineering Training Centre of Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Wuhan Radio and Television Bureau，Wuhan 430015，China）

In view of the advantages of the wireless data transmission，a wireless image data transmission system used in short distance is designed in this paper.The system selects MT9M001 image sensor as the data acquisition unit at the sending end，and uses DSP as the control unit at both ends of the system.The image data is then transmitted by nRF24L01 radio frequency chip between the two ends. The result of outdoor test shows that the system designed in this paper has high reliability when a gray image with a resolution of 640×512 is transmitted，under the condition of occlusion.

wireless communication；image transmission；DSP；nRF24L01

TN925

A

1674－6236（2017）10-0182-04

2016-04-15稿件編號：201604166

劉 翔（1983—），男，湖北武漢人，碩士，工程師。研究方向：數(shù)字圖像處理、模式識別。